王金武 唐 漢 王金峰 沈紅光 馮 鑫 黃會男

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

指夾式玉米精量排種器導(dǎo)種投送運(yùn)移機(jī)理分析與試驗(yàn)

王金武 唐 漢 王金峰 沈紅光 馮 鑫 黃會男

(東北農(nóng)業(yè)大學(xué)工程學(xué)院， 哈爾濱 150030)

為研究指夾式玉米精量排種器籽粒投送運(yùn)移規(guī)律，提高排種器導(dǎo)種性能，建立了導(dǎo)種投送過程的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，分析了各因素對運(yùn)移穩(wěn)定性及投送落種軌跡的影響。采用多因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)研究了工作轉(zhuǎn)速和傾斜角對排種均勻穩(wěn)定性的影響，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化分析得到其最佳工作條件。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用鏡面反射成像原理，搭建了排種軌跡測定試驗(yàn)臺，結(jié)合高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)對落種籽粒軌跡運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在工作轉(zhuǎn)速為15～45 r/min、傾斜角為0°工況下，籽粒正面軌跡及側(cè)面軌跡的水平位移隨工作轉(zhuǎn)速增加而增加，株距變異系數(shù)隨工作轉(zhuǎn)速增加而降低；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速大于35 r/min時，籽粒軌跡及落點(diǎn)位置分布逐漸離散，株距變異系數(shù)明顯增加，其正面水平位移穩(wěn)定在12.9～14.3 mm內(nèi)，側(cè)面水平位移穩(wěn)定在3.7～4.8 mm內(nèi)，平均株距變異系數(shù)為15.13%。在工作轉(zhuǎn)速為30 r/min、傾斜角為-12°～12°工況下，軌跡投種角隨傾斜角的增加而減小，其整體角度穩(wěn)定在66.4°～79.6°內(nèi)。該研究為優(yōu)化設(shè)計(jì)指夾式玉米精量排種器關(guān)鍵部件及配套導(dǎo)種管提供了參考。

玉米； 指夾式精量排種器； 導(dǎo)種投送； 機(jī)理； 試驗(yàn)

引言

精密播種是利用精密播種機(jī)械將籽粒精準(zhǔn)定量地播入土壤預(yù)定位置的先進(jìn)技術(shù)[1]，播種過程中籽粒在田間分布規(guī)律是由精準(zhǔn)株距、播深和行距所組成的三維空間坐標(biāo)所決定。精密排種器作為實(shí)現(xiàn)精密播種技術(shù)的核心部件，是國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)[2-4]。指夾式玉米精量排種器是一種通過夾持充種、振動清種、柔性導(dǎo)種及零速投種等多項(xiàng)環(huán)節(jié)共同作用進(jìn)行播種作業(yè)的機(jī)械式排種器[5]，因具有結(jié)構(gòu)簡單、破損率低、適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于精密播種技術(shù)中。

目前國內(nèi)外學(xué)者對指夾式玉米精量排種器的研究主要集中于取種執(zhí)行部件的理論研究與改進(jìn)設(shè)計(jì)[6-8]，以提高其夾持單粒率，但對導(dǎo)種投送環(huán)節(jié)的相關(guān)研究較少。運(yùn)移導(dǎo)種系統(tǒng)作為排種器最終作業(yè)部件，位于配套導(dǎo)種管上端，其將籽粒穩(wěn)定投送至導(dǎo)種管壁將導(dǎo)種和投送環(huán)節(jié)串聯(lián)為一體，其性能及運(yùn)移規(guī)律直接影響機(jī)具播種質(zhì)量。目前國內(nèi)指夾式玉米精量排種器導(dǎo)種性能仍不穩(wěn)定，籽粒與系統(tǒng)間存在滑移現(xiàn)象，運(yùn)移過程中易造成籽粒在排種器與導(dǎo)種管連接處及導(dǎo)種管壁內(nèi)發(fā)生碰撞異位，籽粒間運(yùn)動自振幅度差異將導(dǎo)致籽粒由導(dǎo)種管投入種床時無法完全抵消與播種機(jī)具間的相對速度差，籽粒落入種床時間也各不相同，影響播種作業(yè)精度及穩(wěn)定均勻性，造成實(shí)際田間作業(yè)無法得到理想播種性能[9-11]。因此，探究排種器導(dǎo)種投送機(jī)理，分析影響導(dǎo)種系統(tǒng)運(yùn)移性能的主要因素，對排種器關(guān)鍵部件及配套導(dǎo)種管的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義。

近些年高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)在農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，為玉米籽粒導(dǎo)投運(yùn)移規(guī)律的研究提供了良好平臺與手段[12-14]。本研究以所設(shè)計(jì)的指夾式玉米精量排種器為研究載體[5]，對其運(yùn)移投送機(jī)理進(jìn)行分析，建立導(dǎo)種投送過程的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)模型，研究各因素對運(yùn)移穩(wěn)定性及投送軌跡的影響。在此基礎(chǔ)上，采用多因素試驗(yàn)分析工作轉(zhuǎn)速與傾斜角對排種均勻穩(wěn)定性影響，并運(yùn)用鏡面反射成像原理，搭建排種軌跡測定試驗(yàn)臺，結(jié)合高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)對玉米籽粒的三維空間位移進(jìn)行測定分析，歸納投送落種軌跡分布，研究籽粒軌跡運(yùn)動規(guī)律。

1 導(dǎo)種投送運(yùn)移機(jī)理分析

1.1 排種器結(jié)構(gòu)與工作原理

指夾式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由排種軸、指夾壓盤、調(diào)控凸輪、指夾盤(取種指夾和微調(diào)彈簧)、排種盤、導(dǎo)種端蓋、導(dǎo)種帶、導(dǎo)種帶輪(Ⅰ、Ⅱ)、清種毛刷和導(dǎo)種護(hù)罩等部件組成，其工作過程分為充種、清種、導(dǎo)種和投種4個串聯(lián)階段，具體工作原理見文獻(xiàn)[5]。

圖1 指夾式玉米精量排種器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of pickup finger precision seed metering device1.充種蓋 2.指夾壓盤 3.排種盤 4.清種毛刷 5.取種指夾6.微調(diào)彈簧 7.導(dǎo)種帶 8.導(dǎo)種帶輪 9.排種軸 10.調(diào)控凸輪11.窺視膠墊 12.驅(qū)動鏈輪 13.導(dǎo)種端蓋 14.護(hù)罩殼體 Ⅰ—充種區(qū) Ⅱ—夾持區(qū) Ⅲ—清種區(qū) Ⅳ—投種區(qū)

1.2 平穩(wěn)運(yùn)移導(dǎo)種系統(tǒng)

為減緩高速播種過程中籽粒與導(dǎo)種管及土壤間的彈跳碰撞作用，提高播種精準(zhǔn)度、均勻性和橫縱直線度，降低投種點(diǎn)高度，在排種器后側(cè)設(shè)計(jì)配置平穩(wěn)導(dǎo)種系統(tǒng)，與播種機(jī)具工作末端導(dǎo)種管柔性配合，充分利用導(dǎo)種管引向作業(yè)，以二次投種方式抵消籽粒落入種溝瞬間的相對速度，實(shí)現(xiàn)籽粒的平穩(wěn)運(yùn)移投送，如圖2所示(圖中未標(biāo)注配套導(dǎo)種管)。圖中D為玉米種植株距，mm；v0為機(jī)具前進(jìn)速度，m/s；ω為排種軸旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s。

圖2 平穩(wěn)運(yùn)移導(dǎo)種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖Fig.2 Structure diagram of steady migratory guiding seed system1.導(dǎo)種口 2.導(dǎo)種帶 3.排種軸 4.導(dǎo)種帶輪Ⅰ 5.導(dǎo)種護(hù)罩6.導(dǎo)種帶輪Ⅱ Ⅰ—導(dǎo)種運(yùn)移區(qū) Ⅱ—投種拋送區(qū) Ⅲ—空轉(zhuǎn)行程區(qū)

排種器導(dǎo)種系統(tǒng)主要由導(dǎo)種帶、導(dǎo)種帶輪(Ⅰ、Ⅱ)及導(dǎo)種護(hù)罩等部件組成。其中導(dǎo)種帶作為導(dǎo)種系統(tǒng)的核心工作部件，直接影響排種器平穩(wěn)運(yùn)移作業(yè)性能(籽粒運(yùn)移均勻性和投送軌跡)。導(dǎo)種帶采用橡膠材料制作，其兩側(cè)設(shè)有微型種帶護(hù)板，避免運(yùn)動中因離心力及機(jī)械震動產(chǎn)生籽粒的相對滑移，其圓周上均勻等距配有12個傾斜導(dǎo)種葉片，與兩側(cè)護(hù)罩構(gòu)成12個封閉導(dǎo)種室。根據(jù)導(dǎo)種系統(tǒng)作用區(qū)域?qū)⑵浞譃閷?dǎo)種運(yùn)移區(qū)、投種拋送區(qū)和空轉(zhuǎn)行程區(qū)3個階段。

在導(dǎo)種過程中，排種軸驅(qū)動導(dǎo)種帶輪Ⅰ(主動帶輪)與導(dǎo)種帶輪Ⅱ(從動帶輪)同步轉(zhuǎn)動，單粒籽粒由導(dǎo)種口進(jìn)入導(dǎo)種室內(nèi)，隨導(dǎo)種帶整體進(jìn)行逆時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)移，籽粒被平穩(wěn)運(yùn)送至投種點(diǎn)處進(jìn)行反向投種拋送，減少與機(jī)具間相對速度，實(shí)現(xiàn)第1次籽粒運(yùn)移作業(yè)。籽粒經(jīng)導(dǎo)種帶投送，在自身重力及導(dǎo)種管柔性接引作用下落入導(dǎo)種管內(nèi)，通過導(dǎo)種管引向?qū)崿F(xiàn)低位零速投種，實(shí)現(xiàn)第2次籽粒運(yùn)移作業(yè)。

本文主要對排種器導(dǎo)種系統(tǒng)作業(yè)機(jī)理進(jìn)行研究，建立運(yùn)移投送過程運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)模型，對籽粒運(yùn)移均勻性及精準(zhǔn)度進(jìn)行測定，得到其最佳工作條件，并結(jié)合高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)對籽粒投送軌跡分布進(jìn)行測定提取，為導(dǎo)種系統(tǒng)及配套對接導(dǎo)種管優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。

1.3 導(dǎo)種運(yùn)移力學(xué)分析

為研究導(dǎo)種運(yùn)移階段籽粒平穩(wěn)性，對此階段籽粒運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行力學(xué)分析，研究籽粒與導(dǎo)種葉片間相對平衡且不被甩離的臨界條件。以排種軸旋轉(zhuǎn)中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，建立空間直角坐標(biāo)系XYZ，如圖3所示。當(dāng)單粒籽粒由導(dǎo)種口進(jìn)入導(dǎo)種室內(nèi)，隨導(dǎo)種帶逆時針旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，對玉米籽粒進(jìn)行受力分析，籽粒受到導(dǎo)種帶離心力Fc、導(dǎo)種葉片支持力FN、導(dǎo)種葉片摩擦力Fs和籽粒自身重力G所組成的空間力系共同作用。

圖3 導(dǎo)種運(yùn)移過程受力分析圖Fig.3 Diagram of mechanical analysis in guiding seed phase

若保證籽粒與導(dǎo)種葉片間相對平衡，避免籽粒被甩離導(dǎo)種葉片影響拋送落種狀態(tài)，在導(dǎo)種帶轉(zhuǎn)動平面XOZ沿籽粒相對葉片滑移方向各力間應(yīng)滿足

F′c+Gcosφ+FNcos(π-β-φ)≤Fscosβ

(1)

其中

(2)

式中m——籽粒質(zhì)量，mgφ——導(dǎo)種葉片相對旋轉(zhuǎn)角，(°)β——導(dǎo)種葉片結(jié)構(gòu)傾斜角，(°)μ——籽粒與導(dǎo)種葉片間摩擦因數(shù)R1——導(dǎo)種帶輪Ⅰ半徑，mmF′c——玉米籽粒所受離心力切向分量，其分量夾角較小，大小近似為離心力，N

將式(1)和式(2)合并可得

mω2R1+Gcosφ≤mgsinβ(μcosβ+cos(β+φ))

(3)

為求解臨界滑移狀態(tài)下排種轉(zhuǎn)速極限值，將式(3)進(jìn)行整理得

(4)

由于排種器整體結(jié)構(gòu)一定(見文獻(xiàn)[5])，即其導(dǎo)種帶輪Ⅰ半徑R1為50～60 mm，葉片旋轉(zhuǎn)角φ為60°～110°，葉片傾斜角β≤22.3°，將以上參數(shù)代入式(4)中，可得在工況條件下，當(dāng)排種器工作轉(zhuǎn)速小于49.5 r/min時，籽粒與導(dǎo)種帶間保持相對靜止平衡狀態(tài)，不發(fā)生相對滑移。因此，在后續(xù)多因素試驗(yàn)中所設(shè)定工作轉(zhuǎn)速因素水平值將小于此臨界值，以尋求最佳因素組合條件。

1.4 籽粒投送落種位移分析

玉米籽粒在三維空間中投送落種軌跡是研究導(dǎo)種投送運(yùn)移機(jī)理的重要參考，合理的運(yùn)移軌跡有利于導(dǎo)種系統(tǒng)第1次投送至導(dǎo)種管時，籽粒速度大小及方向的平穩(wěn)過渡，保證籽粒流對應(yīng)順序及間隔一致，減少籽粒與管壁間彈跳碰撞，提高籽粒著床時均勻性及精準(zhǔn)性。因此，對導(dǎo)種系統(tǒng)投送后籽粒落種軌跡進(jìn)行分析。

當(dāng)單粒籽粒在投種點(diǎn)處被拋送離開傾斜導(dǎo)種葉片時，在平行于導(dǎo)種帶轉(zhuǎn)動平面(正面)籽粒將產(chǎn)生與機(jī)具前進(jìn)方向相反、初速度為vx的正向水平勻速運(yùn)動，在重力作用下籽粒將產(chǎn)生豎直向下的勻加速運(yùn)動(加速度g=9.8 m/s2)，同時由于籽粒質(zhì)心在導(dǎo)種帶上位置與導(dǎo)種帶中心線位置具有一定偏差，投送瞬間將受到離心力分量突變，在垂直于導(dǎo)種帶轉(zhuǎn)動平面(側(cè)面)籽粒將產(chǎn)生初速度為vy的側(cè)向水平勻速運(yùn)動，綜合上述因素共同作用，籽粒投送落種軌跡為空間三維拋物線。

圖4 投送過程運(yùn)動學(xué)分析Fig.4 Kinematics analysis in dropping seed phase

對投送落種過程玉米籽粒進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析，在導(dǎo)種帶轉(zhuǎn)動平面建立直角坐標(biāo)系XPZ，坐標(biāo)原點(diǎn)P與初始投種點(diǎn)相重合，在垂直于轉(zhuǎn)動平面建立直角坐標(biāo)系YQZ，坐標(biāo)原點(diǎn)Q與導(dǎo)種帶中心點(diǎn)相重合，如圖4所示。籽粒的運(yùn)動軌跡為

(5)

其中

(6)

式中X——正面水平方向位移，mmY——側(cè)面水平方向位移，mmZ——豎直方向位移，mmθ——籽粒投送速度與水平間夾角，(°)t——籽粒投送運(yùn)動時間，sv1——導(dǎo)種帶線速度，m/svx——投種速度正面水平方向分量，m/svy——投種速度側(cè)面水平方向分量，m/svz——投種速度豎直方向分量，m/s

忽略投送過程中空氣阻力影響，根據(jù)動量定理可得

(7)

將式(5)～(7)合并，進(jìn)行整理可得籽粒空間軌跡位移為

(8)

式中t0——籽粒脫落導(dǎo)種帶葉片所用時間，sR2——導(dǎo)種帶輪Ⅱ半徑，mm

通過對導(dǎo)種投送運(yùn)移過程進(jìn)行動力學(xué)與運(yùn)動學(xué)分析可知，當(dāng)排種器導(dǎo)種系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)一定時，導(dǎo)種系統(tǒng)對籽粒運(yùn)移投送穩(wěn)定性及落種軌跡主要與排種器工作轉(zhuǎn)速、籽粒投送速度與水平間夾角、籽粒脫落導(dǎo)種帶時間等因素有關(guān)，影響著播種精準(zhǔn)性與均勻性。因此，在后續(xù)試驗(yàn)階段，將通過多因素試驗(yàn)研究導(dǎo)種系統(tǒng)工況下運(yùn)移精準(zhǔn)性及均勻性，并結(jié)合高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)對籽粒投送落種軌跡分布進(jìn)行測定提取。

2 試驗(yàn)材料與方法

2.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為黑龍江省廣泛種植的“德美亞1號”玉米品種，經(jīng)人工分級清選處理，保證供試籽粒飽滿、無損傷及蟲害，測定其千粒質(zhì)量為281.12 g，密度均值為1.154 g/cm3，平均幾何尺寸為：長度9.27 mm、寬度7.40 mm、厚度4.11 mm(對100粒籽粒進(jìn)行測量取平均值)。

2.2 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)地點(diǎn)為東北農(nóng)業(yè)大學(xué)排種性能實(shí)驗(yàn)室，試驗(yàn)裝置主要由JPS-12型排種器性能檢測試驗(yàn)臺(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院)、Phantom V9.1高速攝像儀(美國Vision Research公司，Nikon鏡頭，圖像處理程序?yàn)镻hantom控制軟件)、指夾式玉米精量排種器、PC計(jì)算機(jī)(美國惠普HP公司)、空間網(wǎng)格面板和反射鏡面板等搭建組成，如圖5所示。

圖5 排種軌跡測定試驗(yàn)臺Fig.5 Test platform for dropping trajectory measurement1.排種試驗(yàn)控制器 2.計(jì)算機(jī) 3.種床運(yùn)行電動機(jī) 4.噴油泵 5.指夾式精量排種器 6.空間網(wǎng)格面板 7.排種驅(qū)動電動機(jī) 8.圖像采集處理裝置 9.種床帶 10.傳動系統(tǒng) 11.安裝臺架 12.反射鏡面板 13.臺架傾斜手柄 14.高速攝像儀

為便于對排種器導(dǎo)種系統(tǒng)工作性能及玉米籽粒運(yùn)移軌跡進(jìn)行分析，將導(dǎo)種系統(tǒng)進(jìn)行可視化處理，將原有金屬護(hù)罩改為有機(jī)玻璃材質(zhì)，并將排種器固定在安裝臺架上。試驗(yàn)時，種床帶相對于排種器反向運(yùn)動，模擬播種機(jī)前進(jìn)運(yùn)動狀態(tài)，噴油泵將油噴于種床帶上，玉米籽粒從排種口落至涂有油層的種床帶上，通過攝像處理裝置進(jìn)行實(shí)時檢測并采集數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測量各項(xiàng)排種性能指標(biāo)[15-17]。

為防止拍攝角度對籽粒軌跡位移數(shù)據(jù)采集時產(chǎn)生影響，將高速攝像儀固定于水平位置。為得到籽粒拋送過程中實(shí)際位移變化，應(yīng)保證各組試驗(yàn)中高速攝像儀與籽粒運(yùn)動平面的垂直距離一致，在籽粒運(yùn)動平面內(nèi)放置丁字尺作為標(biāo)定。為全面分析運(yùn)移過程中玉米籽粒的三維空間位移量，應(yīng)從導(dǎo)種帶轉(zhuǎn)動平面(正面)和垂直于轉(zhuǎn)動平面(側(cè)面)進(jìn)行拍攝，僅依靠一臺高速攝像儀無法完成三維空間上的數(shù)據(jù)采集。因此根據(jù)鏡面反射成像原理，設(shè)計(jì)空間網(wǎng)格面板和反射鏡面板間呈135°夾角定位，模擬三維空間坐標(biāo)系XYZ，在空間網(wǎng)格面板粘貼單位刻度為5 mm的坐標(biāo)網(wǎng)格紙，以便高速攝像對玉米籽粒三維空間位移量進(jìn)行測定，減少因儀器不足帶來的不便，提高試驗(yàn)測量精確度。

2.3 試驗(yàn)方法

由上述導(dǎo)種運(yùn)移投送機(jī)理分析可知，籽粒運(yùn)移投送穩(wěn)定性及落種運(yùn)動軌跡與排種器工作轉(zhuǎn)速、投送速度與水平間夾角、籽粒脫落導(dǎo)種帶時間等因素有關(guān)。鑒于籽粒脫落時間極短(各組試驗(yàn)近似相同)且難以控制，為提高臺架試驗(yàn)可操作性及準(zhǔn)確性，本研究選取工作轉(zhuǎn)速及投種水平角度為試驗(yàn)因素，分別進(jìn)行多因素排種穩(wěn)定性試驗(yàn)和單因素高速攝像投送落種軌跡測定試驗(yàn)。通過調(diào)節(jié)JPS-12型排種試驗(yàn)臺電動機(jī)變頻器頻率控制排種器工作轉(zhuǎn)速平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，將投種水平角度轉(zhuǎn)換為排種器導(dǎo)種系統(tǒng)投種端面與臺架水平面間夾角(即傾斜角)，通過控制臺架傾斜手柄調(diào)節(jié)排種器傾斜角。

為研究導(dǎo)種系統(tǒng)投種穩(wěn)定性與均勻性，采用二因素五水平通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)研究排種器最佳作業(yè)性能，根據(jù)前期理論分析、單因素預(yù)試驗(yàn)及田間實(shí)際播種作業(yè)需求，配合各因素可控有效范圍，設(shè)定試驗(yàn)因素水平如表1所示。參考GB/T 6973—2005《單粒(精密)播種機(jī)試驗(yàn)方法》，選取試驗(yàn)指標(biāo)為合格指數(shù)和變異系數(shù)，以評價(jià)排種器排種穩(wěn)定性。試驗(yàn)時，通過排種器性能檢測試驗(yàn)臺數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對各工況下性能指標(biāo)進(jìn)行測定，保證各組試驗(yàn)測定籽粒數(shù)量超過1 000粒，其他各項(xiàng)參數(shù)保持恒定。

表1 試驗(yàn)因素編碼
Tab.1 Factors and levels of experiments

編碼試驗(yàn)因素工作轉(zhuǎn)速x1/(r·min-1)傾斜角x2/(°)1.41445.012.0140.68.5030.00-119.4-8.5-1.41415.0-12.0

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)對較優(yōu)工況下籽粒三維空間投送軌跡分布進(jìn)行測定提取，采用單因素試驗(yàn)研究各傾斜角(-12°～12°)及工作轉(zhuǎn)速(15～45 r/min)對落種軌跡的影響。試驗(yàn)時，高速攝像儀正對空間網(wǎng)格面板擺放，對空間網(wǎng)格面板和反射鏡面板內(nèi)玉米籽粒位移進(jìn)行測定，觀察并分析導(dǎo)種系統(tǒng)對玉米籽粒的運(yùn)移投送軌跡特性，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，對100粒玉米籽粒下落位移進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，單因素角度調(diào)節(jié)如圖6所示。

2.4 籽粒軌跡追蹤后處理

圖6 單因素傾斜角試驗(yàn)Fig.6 Single-factor tests at different tilt angles

軌跡測定過程中，設(shè)定高速攝像儀拍攝幀率為1 000幀/s，采集域?yàn)?12 mm×512 mm，曝光時長為990 μs，調(diào)整排種器工作轉(zhuǎn)速和傾斜角至指定值進(jìn)行試驗(yàn)，通過攝像機(jī)將所采集籽粒運(yùn)動軌跡圖像實(shí)時存儲于計(jì)算機(jī)內(nèi)，待試驗(yàn)結(jié)束后保存為.cin格式視頻文件。利用Phantom控制軟件主系統(tǒng)窗口對視頻文件進(jìn)行圖像目標(biāo)追蹤，并提取不同幀圖像中玉米籽粒質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)，繪制出各工作條件下玉米籽粒拋送軌跡。由于兩幀圖片間過渡時間較短，對種子質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行處理時存在一定誤差，因此將兩幀圖片間距調(diào)大些，減少因數(shù)據(jù)采集造成的誤差。

圖7 高速攝像籽粒坐標(biāo)點(diǎn)測定Fig.7 Coordinate measurement of corn grains by high-speed photography

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 多因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

試驗(yàn)方案與結(jié)果如表2所示，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)值與實(shí)際值誤差小于1.3%，可近似以排種器工作轉(zhuǎn)速和傾斜角的設(shè)計(jì)值對結(jié)果進(jìn)行分析。

通過Design-Expert 6.0.10軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析，進(jìn)行因素方差分析，篩選出較為顯著影響因素，進(jìn)而得到性能指標(biāo)與因素編碼值間回歸方程。

(9)

表2 試驗(yàn)方案與結(jié)果
Tab.2 Design and results of tests

序號試驗(yàn)因素性能指標(biāo)工作轉(zhuǎn)速X1傾斜角X2合格指數(shù)y1/%變異系數(shù)y2/%11176.5616.5921-177.1316.213-1-183.9213.844-1184.3414.1851.414078.0117.076-1.414088.969.01701.41479.9518.1180-1.41480.5618.5690083.2314.03100082.8714.47110083.0113.56120081.9213.29130082.5514.04

(10)

為直觀地分析試驗(yàn)指標(biāo)與因素間關(guān)系，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件得到響應(yīng)曲面，如圖8所示。

圖8 各因素對試驗(yàn)性能參數(shù)的響應(yīng)曲面Fig.8 Response surfaces of seeding qualified index to factors

根據(jù)上述回歸方程和響應(yīng)曲面圖可知，排種器工作轉(zhuǎn)速與傾斜角間存在交互作用。由圖8a可知，當(dāng)傾斜角一定時，合格指數(shù)隨工作轉(zhuǎn)速增加而降低；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速一定時，合格指數(shù)隨傾斜角增加而先增加后降低；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速變化時，合格指數(shù)的變化區(qū)間較大，因此工作轉(zhuǎn)速是影響合格指數(shù)的主要因素。由圖8b可知，當(dāng)傾斜角一定時，變異系數(shù)隨工作轉(zhuǎn)速增加而增加；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速一定時，變異系數(shù)隨傾斜角增加而先降低后增加；當(dāng)傾斜角變化時，變異系數(shù)的變化區(qū)間較大，因此傾斜角是影響變異系數(shù)的主要因素。

在此基礎(chǔ)上，為得到試驗(yàn)因素最佳水平組合，即排種器最佳工作參數(shù)組合，對試驗(yàn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。建立參數(shù)化數(shù)學(xué)模型，結(jié)合試驗(yàn)因素的邊界條件，對合格指數(shù)和變異系數(shù)回歸方程進(jìn)行分析，得到其非線性規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型為

風(fēng)選系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，可提高商品煤品類精度，但相應(yīng)的排矸量也相應(yīng)增加，勢必減少商品煤總量，這就需要進(jìn)行項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性對比分析，從而佐證項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)性和可行性。經(jīng)對風(fēng)選實(shí)驗(yàn)時商品煤質(zhì)量情況進(jìn)行測定，結(jié)合市場價(jià)格情況和具體資金投入等進(jìn)行綜合分析計(jì)算，來測算項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益。

(11)

當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為27.6 r/min，傾斜角為0.2°時，排種器作業(yè)性能最優(yōu)，排種穩(wěn)定性及均勻性最好，其合格指數(shù)為87.03%，變異系數(shù)為10.98%。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，合格指數(shù)為86.92%，變異系數(shù)為10.02%，與優(yōu)化結(jié)果基本一致，誤差在可接受范圍內(nèi)。在實(shí)際作業(yè)過程時，在保證播種質(zhì)量的同時應(yīng)提高排種器作業(yè)效率，同時減少其傾斜程度。本試驗(yàn)主要通過多因素試驗(yàn)研究排種器導(dǎo)種系統(tǒng)作業(yè)過程中運(yùn)移穩(wěn)定性及均勻性，探求其最佳工作條件，為單因素試驗(yàn)測定籽粒投送落種軌跡奠定基礎(chǔ)。

3.2 單因素試驗(yàn)結(jié)果與分析

結(jié)合高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)，以排種器工作轉(zhuǎn)速和傾斜角為試驗(yàn)因素進(jìn)行單因素試驗(yàn)，對不同工況條件下投送落種軌跡進(jìn)行測定分析。將各幀圖片內(nèi)籽粒質(zhì)心點(diǎn)坐標(biāo)值記錄到Excel軟件中，即可得出不同工作狀態(tài)下籽粒運(yùn)移規(guī)律與趨勢。圖9為傾斜角-12°、0°、12°，工作轉(zhuǎn)速15～45 r/min工況條件下玉米籽粒運(yùn)移投送落種坐標(biāo)分布。

圖9 籽粒坐標(biāo)位置概率分布圖Fig.9 Probability distribution graphs of corn grain coordinates

3.3 工作轉(zhuǎn)速對運(yùn)移投送軌跡影響

當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為15～45 r/min、傾斜角為0°時，籽粒正面軌跡水平位移量整體穩(wěn)定在1.1～17 mm內(nèi)，側(cè)面軌跡水平位移整體穩(wěn)定在0.7～5.9 mm內(nèi)，且各組試驗(yàn)中籽粒與導(dǎo)種帶間均未發(fā)生相互滑移。分析可知，工作轉(zhuǎn)速對運(yùn)移投種軌跡具有顯著性影響，各投種軌跡曲線均為正態(tài)分布。在傾斜角-12°～12°范圍內(nèi)均表現(xiàn)為：隨工作轉(zhuǎn)速增加，導(dǎo)種帶及玉米籽粒線速度水平分量逐漸增加，籽粒拋物線軌跡開口變大，其正面水平位移與側(cè)面水平位移隨之增大。

當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為15～35 r/min、傾斜角為0°時，籽粒正面軌跡水平位移量整體穩(wěn)定在1.1～12.9 mm內(nèi)，側(cè)面軌跡水平位移整體穩(wěn)定在0.7～4.8 mm內(nèi)，籽粒運(yùn)移投送軌跡及落點(diǎn)位置較集中，波動性較小，株距間變異系數(shù)較小。工作轉(zhuǎn)速大于35 r/min時，籽粒軌跡及落點(diǎn)位置分布逐漸離散，株距變異系數(shù)明顯增加，此時正面水平位移穩(wěn)定在12.9～14.3 mm內(nèi)，側(cè)面水平位移穩(wěn)定在3.7～4.8 mm內(nèi)。在各組試驗(yàn)中，籽粒側(cè)向位移受工作轉(zhuǎn)速影響較大，側(cè)向軌跡分布離散不均，籽粒正面水平位移變異系數(shù)均小于側(cè)面水平位移坐標(biāo)。造成此種現(xiàn)象的主要原因可能是隨工作轉(zhuǎn)速增加，排種器側(cè)向振動增大，導(dǎo)致籽粒在慣性作用下與排種殼體間發(fā)生輕微碰撞，造成籽粒運(yùn)動軌跡變化。

對工作轉(zhuǎn)速為15～45 r/min、傾斜角為0°工況時籽粒投種角及株間變異系數(shù)進(jìn)行測定分析，結(jié)果如表3所示。分析可知，投種角和株間變異系數(shù)隨工作轉(zhuǎn)速增加而減小，籽粒軌跡投種角整體穩(wěn)定在62.3°～80.7°內(nèi)，株間變異系數(shù)整體穩(wěn)定在8.99%～17.97%內(nèi)。通過SPSS軟件對兩者的相關(guān)系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，其伴隨概率P皆小于0.01，投種角Yt和株間變異系數(shù)Yc隨工作轉(zhuǎn)速變化的回歸方程決定系數(shù)R2分別為0.943和0.982，其相關(guān)函數(shù)分別為

Yt=-0.607 9x+90.95

(12)

Yc=-0.003 6x2+0.486 5x+2.960 2

(13)

表3 各工作轉(zhuǎn)速下投種角與株間變異系數(shù)測定結(jié)果
Tab.3 Measurement results of dropping seed angle and variation coefficient at different rotational speeds

工作轉(zhuǎn)速/(r·min-1)軌跡投種角均值/(°)變異系數(shù)均值/%1580.78.992078.611.862575.913.163074.114.283571.815.234065.716.434562.317.97

3.4 傾斜角對運(yùn)移投送軌跡影響

當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為30 r/min、傾斜角為-12°～12°時，籽粒正面軌跡水平位移量整體穩(wěn)定在2～45 mm內(nèi)，側(cè)面軌跡水平位移整體穩(wěn)定在1.1～5.1 mm內(nèi)。當(dāng)工作轉(zhuǎn)速30 r/min，傾斜角小于-8°或大于8°時，籽粒與導(dǎo)種帶發(fā)生輕微滑移運(yùn)動，影響運(yùn)移軌跡穩(wěn)定分布。

分析可知，傾斜角對運(yùn)移投種軌跡具有顯著性影響。在試驗(yàn)過程中傾斜角的變化使得籽粒并未在同一位置進(jìn)行初始投種，投種點(diǎn)在0～4 mm高度范圍內(nèi)波動，對籽粒正面水平軌跡影響相對較小，落點(diǎn)位置較集中，對側(cè)面水平落點(diǎn)位置影響較大，軌跡波動性較大。造成此種現(xiàn)象的主要原因可能是隨傾斜角改變，籽粒投種角發(fā)生較大變化，且不同初始投種點(diǎn)導(dǎo)致初速度不同，在投種下落過程中籽粒姿態(tài)發(fā)生改變，使得運(yùn)動軌跡側(cè)面位移增大，穩(wěn)定性下降。

對工作轉(zhuǎn)速為30 r/min、傾斜角為-12°～12°工況下籽粒投種角及株間變異系數(shù)進(jìn)行測定分析，結(jié)果如表4所示。分析可知，投種角隨傾斜角的增大而減小，株間變異系數(shù)隨傾斜角增大而先減小后增大，籽粒軌跡投種角整體穩(wěn)定在66.4°～79.6°，株間變異系數(shù)整體穩(wěn)定在14.28%～18.26%內(nèi)。投種角Yt和株間變異系數(shù)Yc隨傾斜角變化的回歸方程決定系數(shù)R2分別為0.978和0.974，其相關(guān)函數(shù)分別為

Yt=-0.513 4x+73.557

(14)

Yc=-0.024 7x2+0.020 4x+14.605

(15)

表4 各傾斜角下投種角與株間變異系數(shù)測定結(jié)果
Tab.4 Measurement results of dropping seed angle and variation coefficient at different tilt angles

傾斜角/(°)軌跡投種角均值/(°)變異系數(shù)均值/%-1279.617.87-877.016.03-475.715.19074.114.28472.414.94869.716.711266.418.26

4 結(jié)論

(1)以指夾式玉米精量排種器為研究載體，對其導(dǎo)種運(yùn)移投送機(jī)理進(jìn)行分析，建立導(dǎo)種投送過程的運(yùn)動學(xué)及動力學(xué)模型，分析各因素對運(yùn)移穩(wěn)定性及投送落種軌跡的影響。

(2)采用多因素二次通用旋轉(zhuǎn)組合試驗(yàn)研究排種器工作轉(zhuǎn)速及傾斜角對排種均勻穩(wěn)定性的交互影響，運(yùn)用Design-Expert 6.0.10軟件對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，對回歸數(shù)學(xué)模型進(jìn)行多因素優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)工作轉(zhuǎn)速為27.6 r/min，傾斜角為0.2°時，排種器排種穩(wěn)定性及均勻性最優(yōu)，合格指數(shù)為86.92%，變異系數(shù)為10.02%，驗(yàn)證了排種器運(yùn)行工作參數(shù)的合理性。

(3)運(yùn)用鏡面反射成像原理，搭建了排種軌跡測定試驗(yàn)臺，結(jié)合高速攝像與圖像目標(biāo)追蹤技術(shù)對投送落種過程中玉米籽粒三維空間位移進(jìn)行測定分析，以工作轉(zhuǎn)速和傾斜角為試驗(yàn)因素進(jìn)行了籽粒投送軌跡運(yùn)移規(guī)律的研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，在工作轉(zhuǎn)速為15～45 r/min、傾斜角為0°工況下，籽粒正面軌跡及側(cè)面軌跡的水平位移隨工作轉(zhuǎn)速增加而增加，株距變異系數(shù)隨工作轉(zhuǎn)速增加而降低；當(dāng)工作轉(zhuǎn)速大于35 r/min時，籽粒軌跡及落點(diǎn)位置分布逐漸離散，株距變異系數(shù)明顯增加，其正面水平位移穩(wěn)定在12.9～14.3 mm內(nèi)，側(cè)面水平位移穩(wěn)定在3.7～4.8 mm內(nèi)，平均株距變異系數(shù)為15.13%。在工作轉(zhuǎn)速為30 r/min、傾斜角為-12°～12°工況下，軌跡投種角隨傾斜角的增加而減小，其整體角度穩(wěn)定在66.4°～79.6°內(nèi)。

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Analysis and Experiment of Guiding and Dropping Migratory Mechanism on Pickup Finger Precision Seed Metering Device for Corn

WANG Jinwu TANG Han WANG Jinfeng SHEN Hongguang FENG Xin HUANG Huinan

(CollegeofEngineering,NortheastAgriculturalUniversity,Harbin150030,China)

In order to improve the guiding migration performance of pickup finger precision seed metering device, the steady migratory mechanism of guiding-seed system was studied. The kinematics and dynamics models of guiding-seed and dropping-seed processes were established based on its working principle. The influences of various factors on dropping trajectory and migration stability were analyzed. The quadratic general rotary unitized design was carried out by taking the rotational speed of seed meter and tilt angle as experiment factors, and the seeding qualified index and variation coefficient as experiment indexes. Based on experimental data, a mathematical model was built by using the Design-Expert 6.0.10 software, and the experiment factors were optimized, the best combination was achieved. On this basis, a kind of dropping trajectory measuring test platform was designed and built based on the theory of mirror reflection. And then the three-dimensional space velocities of the falling corn were measured and analyzed by high-speed photography and target tracking technology. The single factor tests for factors, including rotational speed and tilt angle, were carried out and the corresponding regression equations were obtained by analysis. Experimental results showed that when the rotational speed was between 15 r/min and 45 r/min and the tilt angle was 0°, the horizontal displacements of trajectories of frontal and profile dropping seed were increased with the increase of rotational speed and the variation coefficient of seeding was decreased with the increase of rotational speed. As the rotational speed was greater than 35 r/min, the trajectories and landing positions of corn grains were gradually discrete and the variation coefficient of seeding was significantly increased, and its horizontal displacements of frontal trajectory were stabilized within the range of 12.9～14.3 mm, the horizontal displacements of profile trajectory were stabilized within the range of 3.7～4.8 mm, and the average variation coefficient was 15.13%. The dropping seed angle was decreased with the increase of tilt angle at rotational speed of 30 r/min and tilt angle of -12°～12°. The results can provide guidance and direction for the research of mechanical precision seed metering device and its seed tube.

corn； pickup finger precision seed metering device； guiding and dropping seed； mechanism； experiment

10.6041/j.issn.1000-1298.2017.01.005

2016-09-20

2016-11-20

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD06B04)

王金武(1968—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事田間機(jī)械及機(jī)械可靠性研究，E-mail： jinwuw@163.com

王金峰(1981—)，男，副教授，主要從事田間作業(yè)機(jī)械研究，E-mail: jinfeng_w@126.com

S223.2

A

1000-1298(2017)01-0029-09